Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e da Universidade de Tecnologia de Dresden desvendaram o mecanismo de adsorção de água em certos materiais microporosos - as chamadas estruturas metal-orgânicas hierárquicas (MOFs) - enquanto os investigam em escala atômica.



Descobertas há apenas cerca de 25 anos, as suas propriedades especiais levaram rapidamente à reputação de “materiais milagrosos” – que, como se viu, podem até extrair água do ar. Os pesquisadores descrevem como o material consegue isso em ACS Applied Materials &Interfaces .

"Esses materiais muito especiais são sólidos altamente porosos feitos de metais ou aglomerados de metal-oxigênio que são conectados de forma modular por pilares de produtos químicos orgânicos. Este arranjo 3D leva a redes de cavidades que lembram os poros de uma esponja de cozinha. É precisamente essas cavidades nas quais estamos interessados", diz o Dr. Ahmed Attallah do Instituto de Física de Radiação do HZDR.

Esses poros em nanoescala são a base para uma infinidade de aplicações potenciais, que vão desde o armazenamento de gás até a tecnologia de separação, bem como catálise e novos sensores – sendo a coleta de água uma das mais promissoras.

Sondando o vazio

A equipe sintetizou dois MOFs baseados nos metais zircônio e háfnio, mantidos pela mesma estrutura orgânica. Em seguida, os cientistas aprofundaram as características dos materiais obtidos, aplicando diversas técnicas complementares.

Por um lado, eles determinaram quanto nitrogênio ou vapor de água poderia ficar preso nos poros do material. Por outro lado, eles observaram mais de perto o mecanismo exato de adsorção de água em MOFs, que até o momento não era bem compreendido.

"Para esclarecer o processo, usamos uma técnica não destrutiva conhecida como espectroscopia de vida de aniquilação de pósitrons, ou em resumo, PALS, na qual um pósitron irá interagir com elétrons - suas antipartículas - aniquilando e liberando raios gama que podem ser detectado", disse o Dr. Andreas Wagner, chefe do Centro ELBE para Fontes de Radiação de Alta Potência no HZDR.

"O tempo entre a emissão de pósitrons provenientes de uma fonte radioativa e a subsequente detecção de raios gama é o tempo de vida dos pósitrons. Isso, por sua vez, depende da rapidez com que eles encontram os elétrons."

Se vazios estiverem presentes no material, como nanoporos, pósitrons e elétrons tendem a formar os chamados átomos de positrônio, com um elétron e um pósitron cada, orbitando em torno de seu centro de massa comum, indo direto um para o outro até que o par de partículas seja espalhados ou aniquilados, o que ocorrer primeiro.

Como estes átomos exóticos vivem mais tempo em vazios maiores, estão a revelar informações sobre o tamanho e distribuição do vazio. Os pesquisadores descobriram que a adsorção de água nos MOFs era governada principalmente por um mecanismo de preenchimento gradual, incluindo a formação de pontes líquidas nos poros. A adsorção de água foi influenciada pela formação de aglomerados de água na superfície dos poros, o que criou pequenos espaços de ar nos poros.

Espremendo o ar do deserto

"Devido à grande semelhança química dos metais zircônio e háfnio, as estruturas metal-orgânicas resultantes têm exatamente os mesmos tamanhos de poros e alta estabilidade química, permitindo-nos avaliar a validade do nosso método ao mesmo tempo", Prof. Stefan Kaskel, Presidente de Química Inorgânica I da Universidade de Tecnologia de Dresden, explica. A pesquisa de seu grupo se concentra no desenvolvimento de novos materiais funcionais para diversas aplicações, como armazenamento e conversão de energia, catálise ambiental e adsorção de água.

Com base nos resultados, os investigadores concluem que o seu estudo fornece novos conhecimentos sobre o mecanismo de adsorção de água em MOFs hierárquicos, o que poderia ajudar a conceber melhores materiais para a recolha de água do ar, o que é particularmente importante em regiões áridas. Ao expor os MOFs ao ar, eles podem capturar moléculas de água da atmosfera. Então, aplicando calor ou reduzindo a pressão, a água pode ser liberada e utilizada.

Os cientistas já pensam mais adiante:a tecnologia é adequada para soluções comerciais? Conforme relatado por outro grupo no terreno, 1,3 litros de água por quilograma de MOF por dia provenientes do ar do deserto dão uma ideia da magnitude do rendimento actualmente alcançável na prática.

No entanto, para obter uma solução globalmente sustentável, é necessário ter em consideração outros factores para além do rendimento. "Para ampliar a coleta de água com MOFs, eles devem ser baratos e acessíveis em grandes quantidades. Além disso, as rotas de síntese tradicionais requerem grandes quantidades de solventes orgânicos ou a aquisição de blocos de construção caros", Kaskel e Attallah apontam para possíveis armadilhas neste esforço.

Para evitá-los, os chamados procedimentos de síntese "verdes" desenvolvidos recentemente ganharão impulso no futuro, garantindo a produção ecologicamente correta de MOFs.

A equipe de Dresden já está aderindo a essa ideia, seguindo os princípios da química verde, como usar água como solvente, realizar reações em baixas temperaturas que economizam energia e aproveitar resíduos como fontes de metais e ligantes orgânicos.

Mais informações: Ahmed G. Attallah et al, Desvendando o mecanismo de adsorção de água em MOFs hierárquicos:insights de estudos de vida de aniquilação de pósitrons in situ, ACS Applied Materials &Interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.3c10974
Informações do diário: Materiais Aplicados e Interfaces ACS

Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães